KONVERSI FOTOKATALITIK CO2 MENJADI CH4 DENGAN
KATALIS CuO/TiO2 MENGGUNAKAN SINAR ULTRAVIOLET
Photocatalytic Convertion CO2 to CH4 with CuO/TiO2 Catalyst
Using Ultraviolet Light
TUGAS AKHIR
OLEH LIA WILIANI
091411018
NURUL FITRIANI
091411023
PROGRAM STUDI D3 TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG JULI 2012
KONVERSI FOTOKATALITIK CO2 MENJADI CH4 DENGAN
KATALIS CuO/TiO2 MENGGUNAKAN SINAR ULTRAVIOLET
Photocatalytic Convertion CO2 to CH4 with CuO/TiO2 Catalyst
Using Ultraviolet Light
Laporan ini diajukan untuk memenuhi Salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Diploma III Jurusan Teknik Kimia
Oleh Lia Wiliani
091411018
Nurul Fitriani
091411023
PROGRAM STUDI D3 TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG JULI 2012
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT berkat rahmat dan karunian-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul Konversi Fotokatalitik CO2 menjadi CH4 dengan Katalis CuO/TiO2 Menggunakan Sinar Ultraviolet. Laporan tugas akhir ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan Diploma III di Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung. Laporan ini disusun berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan penulis selama pelaksanaan tugas akhir. Pada penyusunan laporan tugas akhir ini, penulis mendapatkan banyak bantuan, dukungan, bimbingan, semangat, serta kerjasama dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ucapkan terima kasih dan penghargaan kepada : 1. Ir. Heriyanto selaku Pembimbing I 2. In Jumanda Kasdadi selaku Pembimbing II 3. Dwi Nirwantoro Nur, IR., MT selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung, 4. Rispiandi, ST., MT selaku Ketua Program Studi Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung dan Koordinator Kerja Praktik, 5. Kedua orang tua kami tercinta dan seluruh anggota keluarga yang telah memberikan dukungan moril dan material 6. Rekan-rekan Chemista 09 Serta semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung telah membantu kelancaran pelaksanaan tugas akhir ini. Akhir kata penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini dapat memberikan wawasan dan informasi bagi pembaca.
Bandung, Juli 2012
Penulis
i
ABSTRAK CO2 merupakan polutan organik yang semakin hari semakin bertambah jumlahnya di udara. Suatu upaya yang dapat dilakukan untuk mengurangi kadar gas CO2 tersebut adalah dengan menggunakan fotokatalisis. Fotokatalisis merupakan suatu proses kimia yang dibantu oleh adanya cahaya dan material katalis. Fotokatalis yang paling banyak digunakan adalah TiO2 karena stabil, tahan korosi, melimpah, dan murah. Aktivitas katalis TiO2 dapat ditingkatkan dengan penggunaan dopan logam. Dopan logam yang dapat digunakan adalah dopan Cu karena harganya yang relatif murah. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan proses fotokatalitik untuk mengonversi CO2 menjadi CH4 dengan katalis suatu CuO/TiO2. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat alat konversi CO2 menjadi CH4, membuat katalis CuO/TiO2, dan mengetahui pengaruh waktu reaksi dan laju alir terhadap konversi CO2. Reaksi fotokatalisis dilakukan dalam suatu reaktor pipa yang terbuat dari kaca dan dilengkapi dengan lampu UV yang merupakan sumber energi aktivasi dari katalis. Katalis CuO/TiO2 dipreparasi dengan metode impregnasi dimana prekursor yang digunakan adalah Cu-Asetat dengan komposisi Cu sebesar 0,2%. Dengan menggunakan reaktor dan katalis tersebut dilakukan suatu proses reaksi secara kontinyu untuk mengetahui pengaruh waktu reaksi dan laju alir terhadap konversi CO2. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penurunan konsentrasi CO2 terjadi pada reaksi yang dilangsungkan dengan bantuan sinar UV sedangkan pada reaksi yang dilangsungkan tanpa sinar UV tidak diperoleh penurunan konsentrasi CO2. Waktu reaksi pun berpengaruh terhadap konversi CO2. Selain itu, pada penelitian diperoleh bahwa persen konversi CO2 tertinggi didapat pada reaksi dengan laju alir 0,31 mL/s, yaitu sebesar 24,38%. Kata kunci: Fotokatalis; CO2, Titanium dioksida; Cu
ii
ABSTRACT
CO2 is an organic pollutant which amount in the air is increasingday by day. An attempt that can be done to reduce levels of CO2 gas is by using photocatalysis. Photocatalysis is a chemical process assisted by the presence of light and catalyst material. The most widely used photocatalyst is TiO2 due to its stablility, corrosion resistance, abundance, and inexpensivenese. TiO2 catalyst activity can be enhanced by the use of metal dopants. Metal dopants that can be used is Cu because the price is relatively cheap. Therefore, in this study the photocatalytic was conducted to convert CO2 into CH4 with CuO/TiO2 catalyst. The purposes of this study were to make CO2 into CH4 conversion tool, making the CuO/TiO2 catalyst, and to determine the effect of reaction time and flow rate to conversion of CO2. Photocatalysis reaction was carried out in a tube reactor made of glass and equipped with a UV lamp as the source of activation energy. CuO/TiO2 catalysts prepared by impregnation method using Cu-acetate as precursor with the composition of Cu is 0.2%. By using the reactor and the catalyst, continuous reaction process was done to determine the effect of reaction time and flow rate to conversion of CO2. The results showed that the reduction in CO2 concentration occurred in the reaction with help of UV light, while the reaction without UV didn’t give a decrease of CO2 concentration. The time of reaction also have effected the conversion of CO2. In addition, the study found that the highest percent conversion obtained in the reaction of CO2 with the flow rate of 0.31 mL/s, was 23,48%. Keyword: Photocatalyst; CO2; Titanium dioxide; Cu
iii
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ........................................................................................................
i
Abstrak ...................................................................................................................... ii
Abstract ..................................................................................................................... iii Daftar Isi ................................................................................................................... iv Daftar Tabel.............................................................................................................. vi Daftar Gambar ......................................................................................................... vii
Daftar Lampiran ...................................................................................................... viii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Penelitian .................................................................................... 1 1.2. Tujuan Penelitian ................................................................................................. 3 1.3. Ruang Lingkup Penelitian .................................................................................... 3 1.4. Tahapan Penelitian ............................................................................................... 4 1.5. Sistematika Penulisan .......................................................................................... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Aspek Kimia CO2 ................................................................................................ 5 2.2. Metana (CH4) ....................................................................................................... 6 2.3. Metode Preparasi Katalis ..................................................................................... 7 2.4. Impregnasi ............................................................................................................ 8 2.5. Perlakuan Panas ................................................................................................... 9 2.6. Fotokatalis ............................................................................................................ 9 2.7. Penggunaan Dopan Untuk Meningkatkan Aktivitas Fotokatalis ......................... 14 2.8. Reaksi Reduksi CO2 ............................................................................................ 17 BAB III METODELOGI PENELITIAN 3.1. Bahan dan Alat Penelitian .................................................................................... 19 3.2. Perancangan Sistem Proses Konversi CO2 Menjadi CH4 .................................... 19 3.3. Tahap Persiapan Katalis ....................................................................................... 21 3.4. Penempelan Fotokatalis CuO/TiO2 Pada Kawat Stainless Steel.......................... 21 3.5. Tahap Reaksi Fotokatalis ................................................................................... 21 3.6. Tahap Analisis...................................................................................................... 22 iv
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Perancangan Sistem Proses Konversi CO2 Menjadi CH4 .................................... 23
4.2. Pembuatan Katalis CuO/TiO2 .............................................................................. 26 4.3. Pengaruh Sinar Ultraviolet (UV) terhadap Konsentrasi CO2 ............................... 27
4.4. Pengaruh Laju Alir Umpan terhadap Persen Konversi CO2 ................................ 28 4.5. Pengaruh Waktu Reaksi Terhadap Konsentrasi CO2 ........................................... 29 4.6. Analisis CH4 ......................................................................................................... 31
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan .......................................................................................................... 32
5.2. Saran .................................................................................................................... 32 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 33 LAMPIRAN .............................................................................................................. 35
v
DAFTAR TABEL
2.1 Data Karakterisai XRD Pada Katalis CuO/TiO2........................................ 16 Tabel
Tabel 2.2 Data Jenis Produk yang Terbentuk Dari Reduksi CO2 .............................. 18
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Transformasi CO2 Yang Potensial Untuk Dikembangkan .................. 6
Gambar 2.2 Daerah Energi Pada Semikonduktor ..................................................... 11
Gambar 2.3 Struktur Kristal Anatase TiO2 ............................................................... 13 Gambar 2.4 Struktur Kristal Rutil TiO2 ................................................................... 13 Gambar 2.5 Mekanisme Fotokatalitik Semikonduktor TiO2 .................................... 14 Gambar 3.1 Skema Sistem Proses Konversi CO2 Menjadi CH4 ............................... 19
Gambar 3.2 Skema Reaktor Konversi CO2 Menjadi CH4 ........................................ 20
Gambar 3.3 Sampling Gas Effluent ........................................................................... 22 Gambar 4.1 Reaktor Tanpa Lampu UV Dan Katalis ................................................ 23 Gambar 4.2 Reaktor Dengan Lampu UV .................................................................. 23 Gambar 4.3 Reaktor Dengan Lampu UV Dan Diisi Katalis ..................................... 24 Gambar 4.4 Reaktor Ditutup Oleh Aluminium Foil ................................................. 24 Gambar 4.5 Rangkaian Sistem Proses Konversi Fotokatalitik CO2 Menjadi CH4 ... 26 Gambar 4.6 Kurva Pengaruh Sinar UV terhadap Konsentrasi CO2 .......................... 27 Gambar 4.7 Kurva Pengaruh Laju Alir Umpan terhadap Persen Konversi CO2 ...... 29 Gambar 4.8 Kurva Hubungan Konsentrasi CO2 terhadap Waktu Pada Laju Alir.... 30 0,3 mL/s, 0,5 mL/s, 0,7 mL/s, dan 1 mL/s ...............................................
vii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A ............................................................................................................ 35 LAMPIRAN B ............................................................................................................ 40
LAMPIRAN C ............................................................................................................ 43
LAMPIRAN D ............................................................................................................ 47 LAMPIRAN E ............................................................................................................ 50 LAMPIRAN F............................................................................................................. 51
viii
DAFTAR PUSTAKA
Afrozi, A. (2010), Sintesis dan Tinjauan Literatur-1, Jakarta: Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
Andawari, R. 2002. Reduksi Fotokatalitik CO2 dengan Titanium Dioksida Berpenyangga Zeolit Alam Lampung dan Zeolit-Y. Jakarta: Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia. Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Butters B.E. dan A.L. Powell, System and Methode for Photocatalytic Treatment of Contaminated Media, US Patent, 6.136.203, 2000.
Cahyono. A.H (2011), Gas Metan: Berbahaya Namun Bermanfaat, http://nobleenergyengineering.blogspot.com diakses 8 Juli 2012. Dasar Teori Semikonduktor, http://cnej.wordpress.com/ diakses 16 Mei 2012 Faturrakhman, A, dkk., TiO2 Sebagai Fotokatalis Oksidasi, Power Point. Gunlazuar, J (2003), Fotokatalis Pada Permukaan TiO2, http://www.chem-is-try.org diakses 21 Juni 2012. Gupta,R.B. dan ,Dermibas,A .2010. Gasoline,Diesel and Ethanol Biofuels from Gases and Plant. New York: Cambride.University Press.New York. Nuriman. (1998), Preparasi dan Karakterisasi Katalis Logam Cu Berpenyangga untuk Reaksi Hidrogenasi CO2 menjadi Metanol. Jakarta: Program Studi Materials Science. Universitas Indonesia. Oomman K. (2008). High-Rate Solar Photocatalytic Conversion of CO2 and Water Vapor to Hydrocarbon Fuels. PennsylVania: Department of Electrical Engineering, Materials Research Institute, The PennsylVania State UniVersity, UniVersity Park. Meinzer R.A. dan P.J. Birbara, Photocatalytic Semiconductor Coating, US Patent 5.593.737, 1997. Slamet, R. dan E. Marliana, (2007), Reaktor, Vol. 11 No.2, Desember 2007, Hal. : 78-85.
33
34
Slamet; Nasution, H.W.; Purnama, E.; Kosela, S.; Gunlazuardi, J., (2005), “Photocatalytic Reduction of CO2 on Copper-Doped Titania Catalysts Prepared by Improved-Impregnation Method”, Catal. Commun., 6 (5), 313319. Susana, A, http://id.answers.yahoo.com diakses 8 Juli 2012. Yadav, G.D. and Nair, J.J., (1998), Novelties of eclectically engineered sulfated zirconia and carbon molecular sieve catalysts in cyclisation of citronellal to isopulegol, Chem. Commun., pp.2369–2370
Ying Li. (2010). Photocatalytic reduction of CO2 with H2O on mesoporous silica supported Cu/TiO2 catalysts. Milwaukee: Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee.
CURICULUM VITAE
Nama NIM Tempat Tanggal Lahir Pendidikan
: Lia Wiliani : 091411018 : Bandung, 21 September 1991 : SDN 1 Cigugur Girang (1996-2003) SMPN 1 Cisarua (2003-2006) SMAN 1 Cimahi (2006-2009) Politeknik Negeri Bandung (2009-2012)
Nama NIM Tempat Tanggal Lahir Pendidikan
: Nurul Fitriani : 091411023 : Bandung, 5 Desember 1991 : SDN 5 Citepus (1996-2003) MTs Asy-Syarifiyah (2003-2006) MAN 1 Bandung (2006-2009) Politeknik Negeri Bandung (2009-2012)
